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成像激光雷达是20世纪末迅速发展起来的获取地面三维信息的新技术。它以激光测距技术为基础，随着近几年的飞速发展，已经从简单的距离测量发展到扫描成像。光子计数成像激光雷达采用单光子探测器，把对目标的探测由对波形的探测转换为对光子的计数，能充分利用激光回波脉冲中的光子能量，极大提高成像激光雷达的探测效率，减轻激光器的研制压力，降低系统的重量、体积和功耗。
在国家高技术计划项目(863)“光子计数激光三维成像雷达系统关键技术研究”和所三期创新项目的支持下，论文开展了光子计数成像激光雷达的相关理论和关键技术研究，详细论述了光子计数成像激光雷达的回波探测体制，在此基础上研制了回波探测系统，并通过大量实验，验证了系统的性能。
论文首先论述了光子计数探测体制相较于传统线性探测体制的优势，建立了盖革模式雪崩光电二极管激光雷达的信号和噪声模型，以此模型为基础，分析讨论了探测器死时间对系统性能的影响，推导出长死时间和短死时间情况下，雪崩激发事件的概率密度分布函数。对系统的单脉冲、多脉冲探测概率和虚警概率进行了详细分析比较，提出了提高探测概率的方法，并通过蒙特卡罗模拟验证了理论推导的正确性。
成像激光雷达通过测量激光发射脉冲到回波接收脉冲之间的时间间隔，计算得到目标的三维图像。采用光子计数体制后，在提高灵敏度的同时，也带来了探测器暗计数触发、背景光噪声影响等问题，因而无法采用传统的单次触发、单次计时的方式进行距离采集。论文对目前广泛应用的高精度时间间隔测量技术及其误差源进行了比较分析，设计了一套用于光子计数成像激光雷达的高精度、多脉冲时间间隔测量系统，测量精度达到80ps。
提出了一种光子计数成像激光雷达回波探测技术研究方案，研制了实验室原理样机。通过大量实验和数据处理，分析了系统的测距精度、探测概率等关键指标，以及距离波门选取对测距精度和探测概率的影响。对光子计数探测体制和线性探测体制的探测灵敏度进行了对比分析，实验结果表明光子计数体制的探测灵敏度比线性探测体制大约提高100倍。并且，通过光子累积效应，光子计数体制可以探测线性探测体制无法识别的被树叶部分遮蔽的目标。
论文对光子计数这种全新的探测体制进行了有益的探索研究，填补了国内光子计数成像激光雷达研究领域的空白。课题研究成果为后续研究提供了理论依据和实验结论，具有重要的意义。